Der C++-Programmierer

Transkript

1 Ulrich Breymann Der C++-Programmierer C++ lernen - Professionell anwenden - Lösungen nutzen HANSER

2 Vorwort 21 Teil I: Einführung in C Es geht los! Historisches Objektorientierte Programmierung Compiler Das erste Programm Namenskonventionen Integrierte Entwicklungsumgebungen Code-Blocks Eclipse KDevelop Einfache Datentypen und Operatoren Ausdruck Ganze Zahlen Reelle Zahlen Konstante Zeichen Logischer Datentyp bool Referenzen Regeln zum Bilden von Ausdrücken 58

3 Inhalt Standard-Typumwandlungen Gültigkeitsbereich und Sichtbarkeit Namespace std Kontrollstrukturen Anweisungen : Sequenz (Reihung) Auswahl (Selektion, Verzweigung) Fallunterscheidungen mit switch Wiederholungen Kontrolle mit break und continue Benutzerdefinierte und zusammengesetzte Datentypen Aufzählungstypen Arrays: Der C++-Standardryp vector Zeichenketten: Der C++-Standardtyp string Strukturierte Datentypen 89 2 Einfache Ein- und Ausgabe Standardein- und -ausgäbe Ein- und Ausgabe mit Dateien 96 3 Programmstrukturierung Funktionen Aufbau und Prototypen Gültigkeitsbereiche und Sichtbarkeit in Funktionen Schnittstellen zum Datentransfer Übergabe per Wert Übergabe per Referenz Gefahren bei der Rückgabe von Referenzen Vorgegebene Parameterwerte und variable Parameterzahl Überladen von Funktionen Funktion main() Beispiel Taschenrechnersimulation Spezifikation von Funktionen Modulare Programmgestaltung Steuerung der Übersetzung nur mit #include Einbinden vorübersetzter Programmteile Dateiübergreifende Gültigkeit und Sichtbarkeit Übersetzungseinheit, Deklaration, Definition 127

4 Inhalt Compilerdirektiven und Makros Funktions-Templates Spezialisierung von Templates Einbinden von Templates inline-funktionen Namensräume C++-Header Einbinden von C-Funktionen Objektorientierung Abstrakte Datentypen Klassen und Objekte inline-elementfunktionen Initialisierung und Konstruktoren Standardkonstruktor Allgemeine Konstruktoren Kopierkonstruktor Typumwandlungskonstruktor Beispiel: Rationale Zahlen Aufgabenstellung Entwurf Implementation const-objekte und Methoden Destruktoren Wie kommt man zu Klassen und Objekten? Ein Beispiel Einige Analyse-Überlegungen Formulierung des Szenarios in C Gegenseitige Abhängigkeit von Klassen Delegierender Konstruktor Intermezzo: Zeiger Zeiger und Adressen C-Arrays C-Arrays und sizeof Indexoperator bei C-Arrays Initialisierung von C-Arrays Zeigerarithmetik C-Zeichenketten 191

5 Inhalt 5.4 Dynamische Datenobjekte Freigeben dynamischer Objekte Zeiger und Funktionen Parameterübergabe mit Zeigern Parameter des main-programms Gefahren bei der Rückgabe von Zeigern Mehrdimensionale C-Arrays Statische mehrdimensionale C-Arrays Dynamisch erzeugte mehrdimensionale Arrays Klasse für dynamisches zweidimensionales Array Binäre Ein-/Ausgabe Zeiger auf Funktionen this-zeiger Komplexe Deklarationen lesen Standard-Typumwandlungen für Zeiger Zeiger auf Elementfunktionen und -daten Zeiger auf Elementfunktionen Zeiger auf Elementdaten Objektorientierung Eine String-Klasse Optimierung der Klasse MeinString friend-funktionen Klassenspezifische Daten und Funktionen Klassenspezifische Konstante Klassen-Templates Ein Stack-Template Stack mit statisch festgelegter Größe Template-Metaprogrammierung Variadic Templates: Templates mit variabler Parameterzahl Vererbung Vererbung und Initialisierung Zugriffsschutz Typbeziehung zwischen Ober- und Unterklasse Code-Wiederverwendung Überschreiben von Funktionen in abgeleiteten Klassen Polymorphismus 266

6 Inhalt Virtuelle Funktionen Abstrakte Klassen Virtueller Destruktor Probleme der Modellierung mit Vererbung Mehrfachvererbung Namenskonflikte Virtuelle Basisklassen Standard-Typumwandlungsoperatoren Typinformationen zur Laufzeit Using-Deklaration für Klassen Private- und Protected-Vererbung Fehlerbehandlung Ausnahmebehandlung Exception-Spezifikation in Deklarationen Exception-Hierarchie in C Besondere Fehlerbehandlungsfunktionen Erkennen logischer Fehler Speicherbeschaffung mit new Exception-Sicherheit Überladen von Operatoren Rationale Zahlen noch einmal Arithmetische Operatoren Ausgabeoperator « Eine Klasse für Vektoren Index-Operator [ ] Zuweisungsoperator = Zuweisungsoperator und Vererbung Mathematische Vektoren Multiplikationsoperator Inkrement-Operator Typumwandlungsoperator Smart Pointer: Operatoren -> und * Smart Pointer und die C++-Standardbibliothek Objekt als Funktion new und delete überladen Speichermanagement mit malloc und free 349

7 10 Inhalt Unterscheidung zwischen Heap- und Stack-Objekten Fehlende delete-anweisung entdecken Eigene Speicherverwaltung Empfehlungen im Umgang mit new und delete Mehrdimensionale Matrizen Zweidimensionale Matrix als Vektor von Vektoren Dreidimensionale Matrix Dateien und Ströme Ausgabe Formatierung der Ausgabe Eingabe Manipulatoren Eigene Manipulatoren Fehlerbehandlung Exception ios::failure Typumwandlung von Dateiobjekten nach bool Arbeit mit Dateien Positionierung in Dateien Lesen und Schreiben in derselben Datei Umleitung auf Strings Ergänzungen Einführung in die Standard Template Library (STL) Das Konzept: Container, Iteratoren, Algorithmen Iteratoren im Detail Beispiel verkettete Liste Reguläre Ausdrücke Elemente regulärer Ausdrücke Greedy oder lazy? Interaktive Auswertung Auszug des regex-apis Anwendungen Threads Die Klasse thread Synchronisation 416

8 Inhalt Thread-Group Thread-Steuerung: pausieren, fortsetzen, beenden Interrupt Warten auf Ereignisse Reader/Writer-Problem Wenn Threads verhungern Reader/Writer-Varianten Thread-Sicherheit 438 Teil II: Bausteine komplexer Anwendungen Grafische Benutzungsschnittstellen Ereignisgesteuerte Programmierung GUI-Programmierung mit Qt Meta-Objektsystem Der Programmablauf Speicher sparen und lokal Daten sichern Signale, Slots und Widgets Dialog Qt oder Boost? Threads Verzeichnisbaum durchwandern Internet-Anbindung Protokolle Adressen Socket Bidirektionale Kommunikation UDP-Sockets Atomuhr mit UDP abfragen HTTP Verbindung mit GET Verbindung mit POST Mini-Webserver Datenbankanbindunq C++-Interface Anwendungsbeispiel 498

9 12 Inhalt Teil III: Praktische Methoden und Werkzeuge der Softwareentwicklung Abläufe automatisieren mit make Quellen Wirkungsweise Variablen und Muster Universelles Makefile für einfache Projekte Unit-Test Werkzeuge Test Driven Development Boost Unit Test Framework Testaufbau Beispiel: Testgetriebene Entwicklung einer Operatorfunktion Fixture Testprotokoll und Log-Level Prüf-Makros Kommandozeilen-Optionen Werkzeuge zur Verwaltung von Projekten Dokumentation und Strukturanalyse mit doxygen Strukturanalyse Versionskontrolle Einrichtung des Servers Exemplarische Benutzung Projektverwaltung Projektmanagement Wiki für Software-Entwicklungsprojekte 543 Teil IV: Das C++-Rezeptbuch: Tipps und Lösungen für typische Aufgaben Sichere Programmentwicklung Regeln zum Design von Methoden Defensive Programmierung double- und float-werte richtig vergleichen const verwenden Anweisungen nach for/if/while einklammern int und unsigned nicht mischen 552

10 Inhalt Postfix++ mit Präfix++ implementieren Ein Destruktor darf keine Exception werfen Typumwandlungsoperatoren vermeiden explicit-konstruktoren bevorzugen Leere Standardkonstruktoren vermeiden Kopieren und Zuweisung verbieten Vererbung verbieten Defensiv Objekte löschen Exception-sichere Beschaffung von Ressourcen Sichere Verwendung von shared_ptr shared_ptr für Arrays korrekt verwenden Exception-sichere Funktion Exception-sicherer Konstruktor Exception-sichere Zuweisung Aussagefähige Fehlermeldung ohne neuen String erzeugen Empfehlungen zur Thread-Programmierung Warten auf die Freigabe von Ressourcen Deadlock-Vermeidung notify_all oder notify_one? Performance mit Threads verbessern? Von der UML nach C Vererbung Interface anbieten und nutzen Assoziation Aggregation Komposition Performance, Wert- und Referenzsemantik Performanceproblem Wertsemantik Optimierung durch Referenzsemantik für R-Werte Ein effizienter binärer Plusoperator Effektive Programmerzeugung Automatische Ermittlung von Abhängigkeiten Getrennte Verzeichnisse: src, obj, bin Makefile für Verzeichnisbäume Rekursive Make-Aufrufe 590

11 14 Inhalt Ein Makefile für alles Automatische Erzeugung von Makefiles Makefile für rekursive Aufrufe erzeugen Erzeugen von Bibliotheken Statische Bibliotheksmodule Dynamische Bibliotheksmodule GNU Autotools CMake Code Bloat bei der Instanziierung von Templates vermeiden extern-template Aufspaltung in Schnittstelle und Implementation export-template Algorithmen für verschiedene Aufgaben Algorithmen mit Strings String spürten String in Zahl umwandeln Zahl in String umwandeln Strings sprachlich richtig sortieren Umwandlung in Klein- bzw. Großschreibung Strings sprachlich richtig vergleichen Von der Groß-/Kleinschreibung unabhängiger Zeichenvergleich Von der Groß-/Kleinschreibung unabhängige Suche Textverarbeitung Datei durchsuchen Ersetzungen in einer Datei Code-Formatierer Lines of Code (LOC) ermitteln Zeilen, Wörter und Zeichen einer Datei zählen CSV-Datei lesen Kreuzreferenzliste Operationen auf Folgen Container anzeigen Folge mit gleichen Werten initialisieren Folge mit Werten eines Generators initialisieren Folge mit fortlaufenden Werten initialisieren Summe und Produkt 632

12 Inhalt Mittelwert und Standardabweichung Skalarprodukt Folge der Teilsummen oder -produkte Folge der Differenzen Minimum und Maximum Elemente rotieren Elemente verwürfein Dubletten entfernen Reihenfolge umdrehen Anzahl der Elemente, die einer Bedingung genügen Gilt X für alle, keins oder wenigstens ein Element einer Folge? Permutationen Lexikografischer Vergleich Sortieren und Verwandtes Partitionieren Sortieren Stabiles Sortieren Partielles Sortieren Das n.-größte oder n.-kleinste Element finden Verschmelzen (merge) Suchen und Finden Element finden Element einer Menge in der Folge finden Teilfolge finden Bestimmte benachbarte Elemente finden Bestimmte aufeinanderfolgende Werte finden Binäre Suche Mengenoperationen auf sortierten Strukturen Teilmengenrelation Vereinigung Schnittmenge Differenz Symmetrische Differenz Heap-Algorithmen pop_heap pushjieap makejieap 674

13 16 Inhalt sortjieap isjieap Vergleich von Containern auch ungleichen Typs Unterschiedliche Elemente finden Prüfung auf gleiche Inhalte Rechnen mit komplexen Zahlen: Der C++-Standardtyp complex Schnelle zweidimensionale Matrix mit zusammenhängendem Speicher Optimierung mathematischer Array-Operationen Vermischtes Erkennung eines Datums Erkennung einer IP-Adresse Erzeugen von Zufallszahlen for_each Auf jedem Element eine Funktion ausführen Verschiedene Möglichkeiten, Container-Bereiche zu kopieren Vertauschen von Elementen, Bereichen und Containern Elemente transformieren Ersetzen und Varianten Elementeherausfiltern Minimum und Maximum Grenzwerte von Zahltypen Ein- und Ausgabe Datei- und Verzeichnisoperationen Datei oder Verzeichnis löschen Datei oder Verzeichnis umbenennen Verzeichnis anlegen Verzeichnis anzeigen Verzeichnisbaum anzeigen Tabelle formatiert ausgeben Formatierte Daten lesen Eingabe benutzerdefinierter Typen Array als Block lesen oder schreiben 713 Teil V: Die C++-Standardbibliothek Aufbau und Übersicht Auslassungen 719

14 Inhalt Beispiele des Buchs und die C++-Standardbibliothek Hilfsfunktionen und -klassen Relationale Operatoren Unterstützung der Referenzsemantik für R-Werte Paare Tupel Funktionsobjekte Arithmetische, vergleichende und logische Operationen Funktionsobjekte zum Negieren logischer Prädikate Binden von Argumentwerten Zeiger auf Funktionen in Objekte umwandeln Templates für rationale Zahlen Zeit und Dauer Hüllklasse für Referenzen Container Gemeinsame Eigenschaften Initialisierungslisten Konstruktion an Ort und Stelle Reversible Container Sequenzen vector vector<bool> list deque Stack queue priority_queue array Sortierte assoziative Container map multimap set multiset Hash-Container unordered_map ; unordered_multimap 771

15 18 Inhalt unordered_set unordered_multiset bitset Iteratoren Iterator-Kategorien Anwendung von Traits distance() und advancef) Reverse-Iteratoren Insert-Iteratoren Stream-Iteratoren Algorithmen Algorithmen mit Prädikat Algorithmen mit binärem Prädikat Übersicht Nationale Besonderheiten Sprachumgebungen festlegen und ändern Die locale-funktionen Zeichensätze und -Codierung Zeichenklassifizierung und -Umwandlung Kategorien collate ctype numeric monetary time messages Konstruktion eigener Facetten String Speichermanagement Smart Pointer unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr new mit vorgegebenem Speicherort Hilfsfunktionen 829

16 Inhalt Optimierte numerische Arrays (valarray) Konstruktoren Elementfunktionen Binäre Valarray-Operatoren Mathematische Funktionen slice und slice_array gslice und gslice_array mask_array indirect_array C-Header <cassert> <cctype> <cerrno> <cmath> <cstdarg> <cstddef> <cstdio> <cstdlib> <cstring> <ctime> 855 A Anhang 857 A. 1 Programmierhinweise 857 A.2 C++-Schlüsselwörter 860 A.3 ASCII-Tabelle 861 A.4 Rangfolge der Operatoren 862 A.5 Compilerbefehle 863 A.6 Änderungen des C++-Standards 864 A.6.1 Änderungen/Erweiterungen der C++-Sprache 864 A.6.2 Änderungen/Erweiterungen der C++-Standardbibliothek 871 A.7 Lösungen zu den Übungsaufgaben 872 A.8 Installation der DVD-Software für Windows 917 A.8.1 Installation des Compilers und einiger Bibliotheken 917 A.8.2 Bei Verzicht auf die automatische Installation 918 A.8.3 Codeblocks einrichten 919 A.8.4 Integration von Qt in ein Code::Blocks-Projekt 921 A.9 Installation der DVD-Software für Linux 922

17 20 Inhalt A.9.1 Installation des Compilers 922 A.9.2 Installation von Boost 923 A.9.3 Installation von Code::Blocks 923 A.9.4 Code::Blocks einrichten 924 A.9.5 Beispieldateien entpacken 924 A.9.6 Installation von Qt4 925 A.9.7 Integration von Qt in ein Code::Blocks-Projekt 926 Literaturverzeichnis 927 Glossar 931 Register 941